Umkehrosmose - Technologiegeschichte - Funktionsprinzip - Wirkungsweise

„Über den exakten Beginn der Geschichte der Membrane (lat. Membrana= Häutchen) kann keine Aussage getroffen werden. Die moderne Zeit der Membrane beginnt mit den Versuchen des Abbe Nollet mit natürlichen Membranen im Jahre 1748. Ihm gelang die Anreicherung von Alkohol in einem Alkohol/Wasser – Gemisch.“ (Staude 1992).

Die älteste, heute noch kommerziell genutzte Membranapplikation, ist die Dialyse mit Mikrofiltrationsmembranen. Die Mikrofiltrationsmembran entstand durch Arbeiten von Schoenbein in 1845 mit der Synthese von Nitrocellulose als erstes synthetisches Membranpolymer. Überraschenderweise werden einige dieser frühen Materialien auch heute noch eingesetzt. Die Membranentwicklung sowie die Aufklärung der Stofftransportmechanismen wurde anschließend jahrzehntelang, hauptsächlich in Deutschland, betrieben. 1907 entdeckte Bechhold, dass unterschiedliche Polymerkonzentrationen verschiedene Porengrößen aufweisen und prägte damit den Ausdruck Ultrafiltration. Die erste kommerzielle Herstellung begann 1918 als Zsigmondy und Bachmann eine Methode zur Einstellung der Porengröße bei der Produktion von Nitrocellulosemembranen entwickelten. Die kommerzielle Entwicklung schritt aber zunächst nur sehr langsam voran.

Nach dem 2. Weltkrieg konnte durch die Entdeckung am Hygiene-Institut der Universität Hamburg dieses Verfahren in eine breitere kommerzielle Produktion gebracht werden. Dabei wurden mittels Mikrofiltration Bakterien aus dem Trinkwasser separiert und analysiert. Diese Entdeckung war speziell für Deutschland nach dem Krieg sehr wichtig, da fast die ganze zivile Infrastruktur zerstört war. An den Entwicklungen der folgenden Jahre waren amerikanische Firmen wie die Lovell Chemical Company und die Millipore Corporation (heute Weltmarktführer im Bereich der Mikrofiltration) wesentlich beteiligt. Ihre Berichte dokumentieren den schwierigen Übergang von der Produktion im Labormaßstab zur halbkommerziellen Produktion von Mikrofiltrationsmembranen.

1959 entwickelten Reid und Breton für UCLA (University of California) die ersten asymmetrischen Membranen aus Celluloseacetat. Eine sehr dünne Schicht Celluloseacetat wurde auf eine poröse Trägerschicht aufgetragen. Mit dieser Methode wurden hohe Durchflussraten möglich und bewirkten damit den Durchbruch auf dem Gebiet der Umkehrosmose. Während die Forschergruppe der UCLA ihre Arbeiten mit der Umkehrosmose fortsetzte, arbeitete eine andere Gruppe, später als Amicon Corporation bezeichnet, an der Entwicklung der Ultrafiltrationsmembrane. Chemische Eigenschaften der Cellulosepolymerisate schränkten ihren industriellen Einsatz stark ein und so begann 1965 die Suche nach anderen geeigneten Polymeren. Innerhalb kürzester Zeit entwickelten mehrere voneinander unabhängige Fachgruppen eine Vielzahl von anderen Polymermembranen wie Polyacrylnitril (1965), Polysulfon oder Polyvinylfluorid. Dieser Umstand leitete die explosionsartige Entwicklung in den folgenden 10 Jahren auf dem Gebiet der Ultrafiltration (Membranentwicklung und Prozessentwicklung) ein. Als Folge dieser Vielfältigkeit begann auch die Modulbauweise zu divergieren, bevor sich eine erfolgreiche Methode etablieren konnte (Noble und Stren 1995).

Die jüngste Entwicklung auf dem Gebiet der Membrantechnologie ist die Nanofiltration, deren Membrane lange Zeit als Ausschuss bei der Herstellung von Umkehrosmose Membranen verworfen wurden, bis man entdeckte, dass diese Separatoren sehr selektive Trenneigenschaften aufweisen. Seit ca. 15 Jahren wird dieses Membrantrennverfahren auch kommerziell genutzt. Ohne Berücksichtigung der Anwendungen in der Medizin betrug der weltweite Umsatz mit Membranen und Membraneinheiten (Membranmodule, Filterkerzen) 1994 ca.1500 Mio US-Dollar (Ripperger 1995).